JP2002003990A

JP2002003990A - 快削鋼

Info

Publication number: JP2002003990A
Application number: JP2000185760A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Omori; 靖浩大森; Toshiyuki Hoshino; 俊幸星野; Kenichi Amano; 虔一天野
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2000-06-21
Filing date: 2000-06-21
Publication date: 2002-01-09

Abstract

(57)【要約】【課題】鉛を用いることなく、しかも圧延ままで被削
性に優れる快削鋼を提供する。【解決手段】鋼材の成分組成を、質量百分率で、Ｃ：
0.05％未満、Si：2.5 ％以下、Mn：0.10％以上、4.0 ％
以下、Ｓ：0.20％超、0.8 ％以下、Ti：0.010 ％超、0.
3 ％以下、Ｂ：0.004 ％超、0.08％未満およびＮ：0.05
％未満を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成
に調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、快削鋼に関し、
特に切削加工において、工具寿命および切り屑処理性等
の被削性の有利な向上を図ろうとするものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、切削加工時の工具寿命や切り屑処
理性等の被削性に優れた快削鋼としては、ＪＩＳに規定
されている硫黄快削鋼および鉛快削鋼、あるいはその他
としてカルシウム快削鋼、テルル快削鋼、セレン快削鋼
およびビスマス快削鋼など種々の鋼材が開発されてい
る。

【０００３】中でも、鉛快削鋼は、被削性に優れ、しか
もテルル、ビスマス等に比較して経済的なことから、快
削鋼として多用されている。しかしながら、鉛は人体に
有害であることから、鋼材の製造過程だけでなく、それ
を用いた機械部品の製造過程において、環境対策を必要
とし、また鋼材のリサイクル先が限られるなど問題があ
った。このため、従来から、鉛を添加せずに鉛添加鋼と
同等程度の被削性を有する快削鋼の開発が望まれてい
た。

【０００４】上記の要請に応えるものとして、例えば特
開昭50−96416 号公報には、鋼中のＣを黒鉛として存在
させ、この黒鉛の切欠き潤滑作用を利用することによっ
て、鉛を用いることなしに被削性を改善する方法が提案
されている。しかしながら、この方法は、鋼中のＣを黒
鉛化する必要上、その前処理として熱処理が不可欠であ
ることから、必ずしも経済的な方法とはいえないところ
に問題を残していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、上記の実
情に鑑み開発されたもので、鉛を用いることなく、しか
も圧延ままで被削性に優れる快削鋼を提案することを目
的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】さて、発明者らは、鉛を
添加せずとも圧延ままで鉛添加鋼と同等の被削性を有す
る鋼材の組成について、鋭意検討した結果、以下に述べ
る知見を得た。１) 鋼中のセメンタイトを低減することによって、工具
磨耗が低減し、工具寿命が向上する。この効果は、Ｃ量
を0.05mass％未満に低下させることで特に顕著となる。

【０００７】２) Ｃ量を0.05mass％未満に低下させる
と、一方で生成した切り屑が破断しづらくなり切り屑処
理性が低下する。これを解決するためには、(a) Ｂを0.
004 mass％超、0.08mass％未満、Ｎを0.05mass％未満の
範囲で添加するおよび(b) Tiを 0.010mass％超、0.3 ma
ss％以下、Ｓを0.20mass％超、0.8 mass％以下の範囲で
添加するという２つの手段を同時にとることが特に有効
である。

【０００８】その理由は、次のとおりである。Tiおよび
Ｓの添加により鋼中にTiＳおよび（Mn，Ti）Ｓが生成
し、これが切削時に生成した切り屑中で応力集中源とし
て作用する。この際、Ｂを適量添加しておくことによ
り、TiＳおよび（Mn，Ti）Ｓの周囲にＢが偏析し、TiＳ
および（Mn，Ti）Ｓの塑性変形を抑制して、応力集中作
用によるクラックの生成が促進される。また、Ｂおよび
Ｎは、組織中の転位上に偏析し易い性質があり、TiＳお
よび（Mn，Ti）Ｓへの応力集中で周りの母地に生成した
転位上へ偏析して母地を脆化させ、生成したクラックの
伝播を容易にする。さらに、通常、TiとＮとは結合能が
強くTiＮを生成し、これが硬質なため工具磨耗を促進す
るが、上記の範囲でＳおよびＢを添加することにより、
TiＳおよびＢＮが生成するようになり、これらが切削時
の応力集中源として働くため工具寿命および切り屑破断
性が改善される。これらの作用によって、切り屑の破断
性が顕著に向上する結果、Ｃ量が0.05mass％未満という
低Ｃ鋼においても、切り屑長さが５mm以下といった細か
な切り屑が生成するようになり、切り屑処理性が格段に
向上する。

【０００９】３) 上記１) に加えて、工具寿命の向上に
は、適量のMnおよびＢの添加が有効である。この理由
は、Mn，Ｂの添加によって組織中にベイナイト組織が生
成し、このベイナイト組織はフェライトに比べて硬質で
あり、またベイナイト組織中の炭化物がランダムな方位
を持つ平板上のセメンタイトが集積した構造を有するた
め、それ自体変形しづらく、このため切削加工時に応力
集中源となり、応力集中が起こった際に、周りのフェラ
イトに対して切り欠き効果を持つために、切り屑生成が
容易となるからである。組織中にベイナイト組織を混存
化させた場合には、上記した作用により、切削時の切削
抵抗が低下し、工具寿命が向上する。この発明は、上記
の知見に立脚するものである。

【００１０】すなわち、この発明の要旨構成は次のとお
りである。１．質量百分率で、Ｃ：0.05％未満、Si：2.5 ％以下、
Mn：0.10％以上、4.0 ％以下、Ｓ：0.20％超、0.8 ％以
下、Ti：0.010 ％超、0.3 ％以下、Ｂ：0.004 ％超、0.
08％未満およびＮ：0.05％未満を含有し、残部はFeおよ
び不可避的不純物の組成になることを特徴とする快削
鋼。

【００１１】２．上記１において、質量百分率で、さら
に Cu≦2.0 ％，Ni≦2.0 ％，Cr≦3.0 ％，Mo≦2.0 ％およ
びNb≦0.10％のうちから選んだ１種または２種以上を含有する組成に
なることを特徴とする快削鋼。

【００１２】３．上記１または２において、質量百分率
で、さらにＷ≦0.1 ％およびＶ≦0.5 ％のうちから選ん
だ１種または２種を含有する組成になることを特徴とす
る快削鋼。

【００１３】４．上記１，２または３において、質量百
分率で、さらにＰ≦0.2 ％，Te≦0.2 ％，Se≦0.2 ％，Ca≦0.02％，RE
M ≦0.02％，Zr≦0.2 ％，Bi≦0.3 ％，Sn≦0.3 ％，Sb
≦0.2 ％およびCo≦0.1 ％のうちから選んだ１種または２種以上を含有する組成に
なることを特徴とする快削鋼。

【００１４】５．上記１，２，３または４において、質
量百分率で、さらに Mg≦0.02％，Hf≦0.1 ％およびAl≦1.0 ％のうちから選んだ１種または２種以上を含有する組成に
なることを特徴とする快削鋼。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、この発明において、鋼材の
成分組成を上記の範囲に限定した理由について説明す
る。Ｃ：0.05mass％（以下、単に％で示す）未満Ｃは、強度確保のために添加する。しかしながら、0.05
％以上添加すると、切削加工時の工具摩耗が増大し、被
削性が低下するため、Ｃは0.05％未満に制限した。な
お、好ましくは0.04％以下である。

【００１６】Si：2.5 ％以下 Siは、固溶強化による強度確保に有効であり、また脱酸
元素としても有効であるが、2.5 ％を超えて添加すると
工具寿命が低下するため、2.5 ％以下に制限した。好ま
しくは 0.6％以下である。

【００１７】Mn：0.10％以上、4.0 ％以下 Mnは、焼入性を向上して、ベイナイト組織の生成を促進
し、被削性を向上させる働きがある。また、強度確保の
面でも有効である。さらに、Ｓと結合してMnＳを生成
し、これによって被削性を向上させる作用もある。これ
らの効果を得るためには、少なくとも0.10％の含有が必
要であるが、4.0 ％を超えると強度が上昇し、被削性が
低下するため、Mnは0.10〜4.0 ％の範囲に限定した。な
お、より好適には 0.5〜2.5 ％の範囲である。

【００１８】Ｓ：0.20％超、0.8 ％以下Ｓは、鋼中でMnおよびTiと結
合し、MnＳ, TiＳおよび(Mn, Ti)Ｓとなって切削加工時
の応力集中源となり、切り屑の分断を容易にして被削性
を向上させる有用元素である。しかしながら、含有量が
0.20％以下ではその添加効果に乏しく、一方 0.8％を超
えて添加すると熱間加工性の低下を招くため、Ｓは0.20
％超、0.8％以下の範囲に限定した。

【００１９】Ti：0.010 ％超、0.3 ％以下 Tiは、TiＳおよび(Mn, Ti)Ｓを生成して切り屑中の応力
集中源となり、切り屑処理性を向上させため、0.010 ％
を超えて添加する。しかしながら、0.3 ％を超えて添加
すると、粗大なTiＮを析出し、切削加工時の工具磨耗を
増大し、被削性が低下するため、Tiは 0.010％超、0.3
％以下の範囲に限定した。なお、好適範囲は 0.1％以下
である。

【００２０】Ｂ：0.004 ％超、0.08％未満Ｂは、TiＳおよび(Mn, Ti)Ｓの周りに偏析し、切り屑生
成時のTiＳおよび(Mn,Ti)Ｓの塑性変形を抑制して、応
力集中によるクラックの生成を促進し、切り屑破断性を
向上させる。また、Ｎとの結合により生成するＢＮは、
潤滑作用および応力集中源としての作用を有するため工
具寿命および切り屑破断性を向上させる。さらに、焼入
性を向上させ、ベイナイト組織を生成し、工具寿命を向
上させる作用を有することから、積極的に添加する。し
かしながら、含有量が 0.004％以下の添加ではその効果
が小さく、一方0.08％以上添加しても、その効果は飽和
に達し、むしろ成分コストの上昇を招くため、Ｂは 0.0
04％超、0.08％未満の範囲に限定した。なお、好ましく
は 0.015％以下である。

【００２１】Ｎ：0.05％未満Ｎは、組織中の転位上に偏析し易い性質があり、TiＳお
よび(Mn, Ti)Ｓへの応力集中で周りの母地に生成した転
位上へ偏析して母地を脆化させ、生成したクラックの伝
播を容易にすることで切り屑破断性を向上させる。ま
た、Ｂとの結合によりＢＮを形成し、その潤滑作用およ
び応力集中作用により、工具寿命および切り屑破断性を
向上させる作用があるので積極的に添加する。しかしな
がら、含有量が0.05％以上になると鋼塊の内部欠陥およ
び表面疵が発生するため、Ｎは0.05％未満に限定した。

【００２２】以上、基本成分について説明したが、この
発明では上記した基本成分の他に、以下の成分を添加す
ることにより、被削性や強度の一層の向上を図ることが
できる。まず、焼入性を向上させ、ベイナイト組織を生
成させて被削性を向上させ、また強度を上昇させるため
に、Cu，Ni，Cr, MoおよびNbのうちから選んだ１種また
は２種以上を添加することができる。

【００２３】Cu：2.0 ％以下 Cuは、焼入性を向上させ、ベイナイト組織生成による被
削性の向上および強度を確保するために添加することが
できる。しかしながら、含有量が 2.0％を超えると、強
度が上昇して被削性が低下すると共に、コストが上昇す
るので、Cuは2.0 ％以下で含有させるものとした。特に
好ましくは 1.0％以下である。

【００２４】Ni：2.0 ％以下 Niは、焼入性向上によるベイナイト組織生成による被削
性の向上および強度確保のために添加することができ
る。しかしながら、過剰な添加は、高価につくだけでな
く、強度が上昇して被削性の低下を招くので、Niは 2.0
％以下で含有させるものとした。なお好ましくは 1.0％
以下である。

【００２５】Cr：3.0 ％以下 Crは、焼入性の向上により、ベイナイト組織の生成を促
進させ、ひいては被削性および強度を向上させる有用元
素である。しかしながら、3.0 ％を超えて添加すると、
強度が上昇して被削性が低下するだけでなく、成分コス
トも上昇するので、Crは 3.0％以下で含有させるものと
した。なお、好ましくは 1.5％以下である。

【００２６】Mo：2.0 ％以下 Moは、焼入性向上によるベイナイト組織生成による被削
性の向上および強度確保のために添加することができ
る。しかしながら、過剰な添加は、高価につくだけでな
く、強度が上昇して被削性が低下するので、Moは 2.0％
以下で含有させるものとした。なお好ましくは 1.0％以
下である。

【００２７】Nb：0.10％以下 Nbは、焼入性を向上させ、ベイナイト組織生成による被
削性の向上および強度を確保するために添加することが
できる。しかしながら、過剰に添加した場合、成分コス
トが上昇するだけでなく、強度が上昇して被削性の低下
を招くので、Nbは0.10％以下で含有させるものとした。

【００２８】また、強度向上を図るために、ＷおよびＶ
のうちから選んだ１種または２種を添加することができ
る。Ｗ：0.1 ％以下Ｗは、固溶による強度向上作用を有するが、0.1 ％を超
えて添加すると被削性が低下するので、Ｗは 0.1％以下
で含有させるものとした。

【００２９】Ｖ：0.5 ％以下Ｖは、Ｖ（Ｃ，Ｎ）による析出強化により強度を向上さ
せる有用元素であるが、0.5 ％を超えて添加すると被削
性が低下するため、Ｖは 0.5％以下で含有させるものと
した。

【００３０】さらに、被削性のさらなる向上を図るため
に、Ｐ, Te, Se, Ca, REM, Zr, Bi,Sn, SbおよびCoのう
ちから選んだ１種または２種以上を含有させることがで
きる。Ｐ：0.2 ％以下Ｐは、生成した切り屑中のクラックの伝播を容易にする
ことで、切り屑処理性を顕著に向上させる作用がある
が、0.2 ％を超えて添加すると熱間加工性を低下させる
ので、Ｐ量は 0.2％以下に限定した。

【００３１】Te：0.2 ％以下, Se：0.2 ％以下 TeおよびSeはそれぞれ、Mnと結合してMnTeおよびMnSeを
形成し、これがチップブレーカーとして作用することに
より被削性を改善する。しかしながら、0.2 ％を超えて
添加すると効果が飽和する上に、成分コストの上昇を招
くので、いずれも 0.2％以下で含有させるものとした。

【００３２】Ca：0.02％以下, REM：0.02％以下, Zr：
0.2 ％以下 Ca, REM およびZrはいずれも、MnＳと共に硫化物を形成
し、これがチップブレーカーとして作用することにより
被削性を改善する。しかしながら、Ca：0.02％、 REM：
0.02％およびZr：0.2 ％を超えて添加しても効果が飽和
する上、成分コストの上昇を招くため、いずれも上記の
範囲で含有させるものとした。

【００３３】Bi：0.3 ％以下 Biは、切削時の溶融、潤滑および脆化作用により、被削
性を向上させるので、この目的で添加することができ
る。しかしながら、0.3 ％を超えて添加しても効果が飽
和するばかりか、成分コストが上昇するので、Biは 0.3
％以下で含有させるものとした。

【００３４】Sn：0.3 ％以下, Sb：0.2 ％以下，Co：0.
1 ％以下 Sn, SbおよびCoはいずれも、脆化作用により被削性を向
上させる元素である。しかしながら、Sn：0.3 ％、Sb：
0.2 ％およびCo：0.1 ％を超えて添加しても、効果が飽
和する上、コストが上昇し、経済的に不利となるので、
いずれも上記の範囲で含有させるものとした。

【００３５】その他、以下の元素を添加することもでき
る。 Mg：0.02％以下およびHf：0.1 ％以下 MgおよびHfはそれぞれ、脱酸元素であるだけでなく、応
力集中源となって被削性を改善する効果があるので、必
要に応じて添加することができる。しかしながら、過剰
に添加すると効果が飽和する上、成分コストの上昇を招
くので、添加量としてはそれぞれ上記の範囲に制限し
た。

【００３６】Al：1.0 ％以下 Alは、固溶強化による強度の確保および脱酸に有効な元
素であり、また酸化物である Al₂O₃が切削加工時の応力
集中源として作用し、被削性を改善する効果もある。反
面、酸化物が硬質であるため工具磨耗が促進される作用
もある。従って、固溶強化および応力集中源としての効
果を利用する場合に添加することができる。しかしなが
ら、1.0 ％を超えて添加すると硬質酸化物による工具摩
耗促進効果が著しくなるだけでなく、コストアップとも
なるので、1.0 ％以下に制限した。なお、好ましくは0.
02％未満である。

【００３７】なお、本発明では、その主旨から、Pbは基
本的に添加しないが、これは技術的に添加することがで
きないという意味ではない。すなわち、単に快削性の面
だけ考慮すれば良いのであれば、その添加を妨げるもの
ではない。しかしながら、この場合であっても、環境衛
生の面から添加量は 0.2％以下程度に抑制することが好
ましい。

【００３８】次に、この発明鋼の好適製造条件について
説明する。まず、素材の製造については、従来公知の転
炉または電気炉等で溶製した後、連続鋳造法または造塊
−分塊法によってスラブまたはブルームとする。つい
で、常法に従う熱間圧延により所定の形状とする。しか
るのち、所定の部品形状に成形後、機械部品とする。ま
た、窒化または浸炭処理等を施して製品とする場合もあ
る。

【００３９】

【実施例】表ｌ，２に示す成分組成になる鋼材を、転炉
にて溶製し、連続鋳造によりブルームとしたのち、150m
m 角ビレットに熱間圧延し、ついで加熱温度：1200℃、
仕上温度：950 ℃の条件下での棒鋼圧延により、35mmφ
の棒鋼とした。このようにして得られた棒鋼の硬さ、被
削性について調査した結果を表３に示す。ここで、硬さ
は、棒鋼の径の 1/4の深さ位置から採取したサンプルを
用いて、ビッカース硬度計により荷重：98.07 Ｎで測定
した。また、被削性は、ハイス工具(SKH4)を用い、切削
速度：100m/min、送り：0.25mm/rev. 、切込み：2.0 m
m、無潤滑の条件で、外周旋削試験により評価した。さ
らに、工具寿命判定は、完全損傷までの総切削時間で評
価した。

【００４０】

【表１】

【００４１】

【表２】

【００４２】

【表３】

【００４３】表３に示したとおり、No.1〜16の発明例は
いずれも、工具寿命が20.3〜27.5 minと、 No.27の従来
の鉛添加非調質鋼（JIS SUM24L）の16.5 minに比べると
非常に良好な寿命が得られている。また、切り屑形状に
関しても、いずれも長さが５mm以下と細かな良好な切り
屑が得られている。これに対し、 No.17〜No.26 の比較
鋼のうち、No.17 はＢがこの発明の下限に満たないた
め、切り屑形状および工具寿命が悪くなっている。 No.
18はＣがこの発明の上限を超えているため、発明鋼に比
べ工具寿命が半分以下に低下している。No.19 はSiがこ
の発明の上限を超えているため、工具寿命が低下してい
る。No.20 はMnがこの発明の上限を超えているため、工
具寿命が低下している。No.21はMnがこの発明の下限に
満たないため、工具寿命が低下し、切り屑形状が悪くな
っている。No.22 はＳがこの発明の下限に満たないた
め、工具寿命が低下し、切り屑形状が悪くなっている。
No.23 はＳがこの発明の上限を超えたため、圧延時に熱
間割れが生じ、圧延の中止を余儀なくされたため、評価
不能であった。 No.24はＮがこの発明の上限を超えたた
め、工具寿命が低下している。No.25 はTiがこの発明の
下限に満たないため、工具寿命および切り屑形状が劣化
している。No.26 はTiがこの発明の上限を超えたため、
工具寿命が低下している。

【００４４】

【発明の効果】かくして、この発明によれば、特に鉛を
添加せずとも、圧延ままの状態で、鉛添加快削鋼と同等
以上の被削性を有する鋼材を安価に得ることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者天野虔一岡山県倉敷市水島川崎通１丁目（番地なし）川崎製鉄株式会社水島製鉄所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】質量百分率で、Ｃ：0.05％未満、 Si：2.5 ％以下、 Mn：0.10％以上、4.0 ％以下、Ｓ：0.20％超、0.8 ％以下、 Ti：0.010 ％超、0.3 ％以下、Ｂ：0.004 ％超、0.08％未満およびＮ：0.05％未満を含有し、残部はFeおよび不可避的不純
物の組成になることを特徴とする快削鋼。
【請求項２】請求項１において、質量百分率で、さら
に Cu≦2.0 ％，Ni≦2.0 ％，Cr≦3.0 ％，Mo≦2.0 ％およ
びNb≦0.10％のうちから選んだ１種または２種以上を含有する組成に
なることを特徴とする快削鋼。
【請求項３】請求項１または２において、質量百分率
で、さらにＷ≦0.1 ％およびＶ≦0.5 ％のうちから選んだ１種また
は２種を含有する組成になることを特徴とする快削鋼。
【請求項４】請求項１，２または３において、質量百
分率で、さらにＰ≦0.2 ％，Te≦0.2 ％，Se≦0.2 ％，Ca≦0.02％，RE
M ≦0.02％，Zr≦0.2 ％，Bi≦0.3 ％，Sn≦0.3 ％，Sb
≦0.2 ％およびCo≦0.1 ％のうちから選んだ１種または２種以上を含有する組成に
なることを特徴とする快削鋼。
【請求項５】請求項１，２，３または４において、質
量百分率で、さらに Mg≦0.02％，Hf≦0.1 ％およびAl≦1.0 ％のうちから選んだ１種または２種以上を含有する組成に
なることを特徴とする快削鋼。